(57)【要約】  本発明のペダリング運動用計測装置は、自転車の車輪（１０４）の動きを検知して車輪の回転数を検知するための第１センサユニット（２１，２２）と、左右のクランクアーム（１０７）に配設され、左右のクランクアームに付与された力の大きさ及び方向を検知するための第２センサユニット（４、５）とを備える計測本体部（２）と、第１センサユニット（２１，２２）により検知された車輪の回転数に基づいて、所定時間内に自転車が行なった仕事を演算する第１仕事演算部（８ｂ）と、第２センサユニット（４、５）により検知された左右のクランクアーム（１０７）にそれぞれ付加された力の大きさ及び方向に基づいて、所定時間内に利用者が前記クランク部材に与えた仕事を演算する第２仕事演算部（８ｃ）と、自転車及び利用者の仕事に基づいて、自転車の効率を演算する、効率演算部（８ｄ）とを備える。
2011135972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハンガー軸で接続された左右一対のクランクアームとペダルを有するクランク部材を備えた自転車の車輪の動きを検知して前記車輪の回転数を検知するための第１センサユニットと、左右の前記クランクアームに配設され、左右のクランクアームに付与された力の大きさ及び方向を検知するための第２センサユニットとを備える計測本体部と、
前記第１センサユニットにより検知された車輪の回転数に基づいて、自転車が行なった仕事を演算する第１仕事演算部と、
前記第２センサユニットにより検知された左右のクランクアームにそれぞれ付加された力の大きさ及び方向に基づいて、利用者が前記クランク部材に与えた利用者の仕事を演算する第２仕事演算部と、
前記自転車及び利用者の仕事に基づいて、前記自転車の効率を演算する、効率演算部とを備える、ペダリング運動用計測装置。
【請求項２】
前記第１仕事演算部は、車輪の回転数に基づいて自転車が移動した距離に関する情報に基づいて、前記自転車の仕事を演算する、請求項１に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項３】
前記第２仕事演算部は、前記左右のクランクアームの回転接線方向に加えられた力の値に基づいて、前記利用者の仕事を演算する、請求項１に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項４】
前記第１センサユニットは、前記自転車の車輪及び前記車輪に対して静止した対向部材に設けられた磁気センサで構成されている、請求項１に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項５】
前記第２センサユニットは、利用者の動作によって回転する前記クランクアームの角度位置を測定する角度センサと、前記クランク部材の歪みに基づいてクランク部材に加えられた力を測定する複数の力覚センサとを備え、前記クランクアームの角度位置に対応づけてクランク部材に加えられた力の情報を出力する、請求項１に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項６】
前記第２センサユニットの複数の力覚センサは、左右のクランクアームとハンガー軸と間に、前記ハンガー軸の回転中心に対して放射状に配設されている、請求項５に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項７】
前記第２センサユニットは、直交する３軸方向の力と３軸方向のモーメントを測定可能な６軸センサで構成されている、請求項５に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項８】
前記第２センサユニットの複数の力覚センサは、静電容量型力覚センサである、請求項５に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項９】
さらに、センサユニットからの出力に基づいて、利用者の動作によってクランク部材に付与された力の大きさ及び方向を演算するベクトル演算部と、を備える、請求項５に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項１０】
前記ベクトル演算部は、クランク部材に付与されたすべての力のうち特定成分の力の大きさを演算する、請求項９に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項１１】
前記歪みセンサは、それぞれのクランクアームの回転方向に沿った対向面に、前記クランク部材の回転軸に対して交差する方向に対向して設けられている、請求項５に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項１２】
前記第１仕事演算部は、一定の力を各角度位置におけるクランクアームに一定方向から加えたときの各力覚センサの出力値として予め記憶されている基準歪み情報と各力覚センサからの出力値を比較することによって、クランク部材に付与された力の大きさ及び方向を演算する、請求項５に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項１３】
前記クランクアームは、前記クランク部材の回転軸の放射方向沿いの直状部と前記クランク部材の回転軸の放射方向に対して交差して延在する交差部を備え、
前記センサユニットの歪みセンサは、直状部と交差部にそれぞれ設けられている、請求項５に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項１４】
利用者の動作によって回転するクランク部材のクランクアームの角度位置を測定する角度センサと、
左右のクランクアームとハンガー軸と間に、前記ハンガー軸の回転中心に対して放射状に配設された複数の力覚センサを備えたセンサユニットと、
角度センサにより測定された位置情報と前記センサユニットのそれぞれの前記力覚センサの出力を対応づけて、利用者の動作によってクランク部材に付与された力の大きさ及び方向を演算するベクトル演算部と、
を備える、ペダリング運動用センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペダリング運動用計測装置及びセンサ装置に関し、特に、自転車のペダルに加えられた力を計測するセンサ装置と、計測された情報に基づいて所定の情報を導くペダリング運動用計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、自転車やサイクリング運動器などにおいて、利用者のペダリングの効率を測定するために、クランクセットに与えた動力を測定するパワーメータが種々存在する。【０００３】
例えば、特許文献１（国際公開第ＷＯ８９／００４０１号）には、ドライブディスク（スパイダー）とクランクアームに懸架してゲージを設け、利用者のペダリング動作によりクランクに与えられた力によってドライブディスク（スパイダー）とクランクとの間に発生するひずみを測定することでクランクが回転するのに用いられた力（トルク）を測定するものである。【０００４】
また、特許文献２（国際公開第ＷＯ２００８／０５８１６４号）には、スパイダーアーム又はクランクアームに歪みゲージを設けたパワーメータがそれぞれ別個の実施例として記載されている。これらのパワーメータは、それぞれ、ペダルを介してクランクに与えられた力によって、スパイダーアーム及びクランクアームに生じる歪みを測定することで、クランクが回転するのに用いられた力（トルク）を測定する。【０００５】
さらに、特許文献３（米国特許第５０２７３０３号明細書）には、左右双方のクランクアームの上面及び下面に歪みゲージを取り付け、ペダルを介してクランクに与えられた力によって、クランクアームに生じる歪みを測定することで、クランクが回転するのに用いられた力（トルク）を測定するものである。【０００６】
上記のように、いずれのパワーメータも、ペダルを介してクランクに与えられた力によってクランク及びスパイダーに生じるひずみを特定箇所に設けられた歪みゲージを用いて測定することで、クランクが回転するのに用いられた力を測定する構成である点で共通する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ８９／００４０１号
【特許文献２】国際公開第ＷＯ２００８／０５８１６４号
【特許文献３】米国特許第５０２７３０３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１及び２のスパイダーに歪みゲージを取り付けるタイプのものは、左右のクランクに同時に与えられる踏み込み力によってスパイダーが従動する構成であるから、スパイダーが左右双方のクランクに与えられた合計力に対する歪みを測定する。よって、例えば、右側のクランクが上死点から下死点に向かって移動する際に与えられる力と左側のクランクが下死点から上死点に向かって移動する際に与えられる力の合計力がクランクに与えられた力が打ち消しあうように作用するときであっても、当該合計力に対応したスパイダーの歪みしか測定することができない。よって、左右それぞれのクランクに与えられた力を独立して測定することができないという問題を有していた。【０００９】
すなわち、このタイプのパワーメータは、左右のペダリング動作がアンバランスであるかどうかまた、左右のペダリング力が互いに打ち消しあっていないかなどの判定を行なうことができず、効率よいペダリングがなされているかどうかの判定には十分なものとはいえないものであった。【００１０】
また、特許文献２及び特許文献３のクランクアームに歪みゲージを取り付ける構成のものは、上記の問題はなく、左右それぞれのペダルに与えられた力をクランクアームに設けられた歪みゲージで個々に測定することができる。【００１１】
しかし、上記パワーメータは、いずれもクランクを回転させるために用いられたトルクを測定するものであって、どのようにクランクに力が発揮されたのかを測定することはできない。自転車のペダリング動作において、ペダルに発揮された力とクランクを実際に回転させるために用いられた力とは同一ではない。ペダルに力を加える目的はクランクを回転させるためであるが、クランクに発揮された力がすべてクランクを回転させるために用いられる訳ではなく、実際には発揮した力にロスが生じている。【００１２】
クランクに発揮される力について図１９を用いて説明する。図１９に示すように、クランクの先端側に設けられているペダル１００に対して、ベクトルで示される力が加わったとすると、ｆ１×Ｌ１、ｆ２×Ｌ２…がトルクとなる。力ｆ１〜ｆ４の大きさが一定なら、クランクアームの最も長いｆ３、Ｌ３のトルクが最大となる。また、Ｌ３に対するＬ１、Ｌ２、Ｌ４の比は、Ｌ１＝Ｌ３ｃｏｓ６０°（Ｌ３の約０．５倍）、Ｌ２＝Ｌ３ｃｏｓ３０°（Ｌ３の約０．８７倍）、Ｌ４＝Ｌ３ｃｏｓ３０°（Ｌ３の約０．８７倍）となる。すなわち、ｆ１〜ｆ４の方向が３０°ずつずれたとすると、有効なトルクはｆ１・Ｌ１が５０％、ｆ２・Ｌ２が８７％、ｆ３・Ｌ３が１００％、ｆ４・Ｌ４が８７％と算出される。したがって計算上は、軸に対して３０度方向がずれると１３％、６０度ずれると５０％もの力が、回転するために使われずに無駄になることがわかる。【００１３】
上記のことから、上記特許文献に開示されている従来のパワーメータは、いずれも単にクランクアームを回転させた力のみを測定するものであって、クランク、すなわちペダルに発揮された力が有効にクランクアームを回転させているかどうかについては測定を行なうことができなかった。この差はペダリング技術として認識されるものであって、ペダルに発揮された力がいかに効率よくクランクの回転に用いられているかを示すバロメータとなり得ることから、クランクの回転に用いられている力の出力結果を得ることができるパワーメータが求められていた。【００１４】
したがって、本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、左右のペダリング動作それぞれについて、クランクアームを回転させるためにより効率的に力が利用されているかについての測定結果を得ることができる計測装置及びセンサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記目的を達成するため、以下のように構成している。本発明の第１態様によれば、ハンガー軸で接続された左右一対のクランクアームとペダルを有するクランク部材を備えた自転車の車輪の動きを検知して前記車輪の回転数を検知するための第１センサユニットと、左右の前記クランクアームに配設され、左右のクランクアームに付与された力の大きさ及び方向を検知するための第２センサユニットとを備える計測本体部と、
前記第１センサユニットにより検知された車輪の回転数に基づいて、自転車が行なった仕事を演算する第１仕事演算部と、
前記第２センサユニットにより検知された左右のクランクアームにそれぞれ付加された力の大きさ及び方向に基づいて、利用者が前記クランク部材に与えた利用者の仕事を演算する第２仕事演算部と、
前記自転車及び利用者の仕事に基づいて、前記自転車の効率を演算する、効率演算部とを備えるペダリング運動用計測装置を提供する。【００１６】
本発明の第２態様によれば、前記第１仕事演算部は、車輪の回転数に基づいて自転車が移動した距離に関する情報に基づいて、前記自転車の仕事を演算する、第１態様のペダリング運動用計測装置を提供する。【００１７】
本発明の第３態様によれば、前記第２仕事演算部は、前記左右のクランクアームの回転接線方向に加えられた力の値に基づいて、前記利用者の仕事を演算する、第１態様のペダリング運動用計測装置を提供する。【００１８】
本発明の第４態様によれば、前記第１センサユニットは、前記自転車の車輪及び前記車輪に対して静止した対向部材に設けられた磁気センサで構成されている、第１態様のペダリング運動用計測装置を提供する。【００１９】
本発明の第５態様によれば、前記第２センサユニットは、利用者の動作によって回転する前記クランクアームの角度位置を測定する角度センサと、前記クランク部材の歪みに基づいてクランク部材に加えられた力を測定する複数の力覚センサとを備え、前記クランクアームの角度位置に対応づけてクランク部材に加えられた力の情報を出力する、第１態様のペダリング運動用計測装置を提供する。【００２０】
本発明の第６態様によれば、前記第２センサユニットの複数の力覚センサは、左右のクランクアームとハンガー軸と間に、前記ハンガー軸の回転中心に対して放射状に配設されている、第５態様のペダリング運動用計測装置を提供する。【００２１】
本発明の第７態様によれば、前記第２センサユニットの複数の力覚センサは、左右のクランクアームとハンガー軸と間に、前記ハンガー軸の回転中心に対して放射状に配設されている、第５態様のペダリング運動用計測装置を提供する。【００２２】
本発明の第８態様によれば、第２センサユニットの複数の力覚センサは、静電容量型力覚センサである、第５態様のペダリング運動用計測装置を提供する。【００２３】
本発明の第９態様によれば、さらに、前記センサユニットからの出力に基づいて、利用者の動作によってクランク部材に付与された力の大きさ及び方向を演算するベクトル演算部と、を備える、第５態様のペダリング運動用計測装置を提供する。【００２４】
本発明の第１０態様によれば、前記ベクトル演算部は、クランク部材に付与されたすべての力のうち特定成分の力の大きさを演算する、第９態様のペダリング運動用計測装置を提供する。【００２５】
本発明の第１１態様によれば、前記歪みセンサは、それぞれのクランクアームの回転方向に沿った対向面に、前記クランク部材の回転軸に対して交差する方向に対向して設けられている、第５態様のペダリング運動用計測装置を提供する。【００２６】
本発明の第１２態様によれば前記第１仕事演算部は、一定の力を各角度位置におけるクランクアームに一定方向から加えたときの各力覚センサの出力値として予め記憶されている基準歪み情報と各力覚センサからの出力値を比較することによってクランク部材に付与された力の大きさ及び方向を演算する、第５態様のペダリング運動用計測装置を提供する。【００２７】
本発明の第１３態様によれば、前記クランクアームは、前記クランク部材の回転軸の放射方向沿いの直状部と前記クランク部材の回転軸の放射方向に対して交差して延在する交差部を備え、
前記センサユニットの歪みセンサは、直状部と交差部にそれぞれ設けられている、第５態様のペダリング運動用計測装置を提供する。【００２８】
本発明の第１４態様によれば、利用者の動作によって回転するクランク部材のクランクアームの角度位置を測定する角度センサと、
左右のクランクアームとハンガー軸と間に、前記ハンガー軸の回転中心に対して放射状に配設された複数の力覚センサを備えたセンサユニットと、
角度センサにより測定された位置情報と前記センサユニットのそれぞれの前記力覚センサの出力を対応づけて、利用者の動作によってクランク部材に付与された力の大きさ及び方向を演算するベクトル演算部と、
を備える、ペダリング運動用センサ装置を提供する。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、自転車の車輪の動きに基づいて自転車が行った仕事を算出し、一方で、クランクアームを回転させるために利用者がクランクアームに行った仕事を求め、両者を比較することで、自転車の効率を導くことができる。自転車の効率の算出では、利用者を含む自転車の重量などの共通する要素を相殺することができ、計算を容易にすることができる。【００３０】
また、センサユニットは、左右一対のクランクアームにそれぞれ設けられているため、それぞれのクランクアームにかけられた力のベクトルを算出することができる。したがって、クランク部材に発揮された力のベクトルから、クランク部材を回転させるために用いられた力を導くことができる。【００３１】
本発明において、自転車の効率とは、利用者がペダリング運動を行うことによって発揮されたクランクセットを回転させるために有効な力が自転車を移動させるためにどの程度効率よく用いられたかを測定するための指標の一つである。自転車の効率は、例えば、平均速度が等しいある一定時間において測定された実際に自転車が行った仕事率（仕事量/時間）とクランクセットを回転することに使われた仕事率に基づいて求めることができる。利用者がペダルを踏み込むことでクランクセットに与える力は、利用者のペダリングスキルや利用者の体格に応じた自転車運動時の体勢や利用者の筋力に応じたクランクの回転抵抗などによって影響を受け、さらに、クランクに与えられた力の一部は、フレーム、クランク、チェーンなどの各種部材のたわみ等に変換されることで、自転車を移動させるために用いられない。本願では、クランクセットに発揮した力のうち、実際に自転車を移動させるために用いられた力に由来する仕事と、自転車が実際に行った仕事の割合を自転車の効率とし、自転車自体の性能評価指標の１つとしたものである。【００３２】
自転車の効率を指標として比較することで、利用者は自分にあった自転車の部品選択をする際の目安にすることができる。すなわち、自転車の部品を交換した場合、部品交換前後の自転車効率を比較することで、当該自転車部品が利用者自身のペダリングスキル、体格等に適しているかどうかを判断する目安とすることができる。【００３３】
自転車が実際に行った仕事は、例えば、実際に移動する自転車及び利用者の総重量、並びに自転車の車輪の回転数に基づいて導かれる。自転車及び利用者の総重量は共通する場合が多いため、具体的には、自転車の移動距離によって算出することができる。一例としては、車輪に取り付けた磁気センサなどで測定される車輪の回転数に基づいて、所定時間内に自転車が移動距離の情報を用いることで導くことができる。また、クランクに与えた仕事は、回転運動を行うクランクの角度位置に応じて、利用者がどの方向にどの大きさの力を与えているかを判定し、回転運動を行うクランクの角度位置に対応した接線方向の力成分の合計値を利用者の仕事量とすることで導くことができる。【００３４】
また、左右のクランクアームに付与された力の大きさ及び方向を検知するための第２センサユニットとして、角度センサと複数の力覚センサを用いることで、角度位置に応じたベクトルを測定することができる。力覚センサは、左右のクランクアームとハンガー軸と間に、前記ハンガー軸の回転中心に対して放射状に配設することで精度よくベクトルの測定が可能である。さらに、力覚センサとして、静電容量センサを用いることにより、消費電力を小さくすることができ、装置の小型、軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
【図１】本発明の実施形態にかかるペダリング運動用計測装置が搭載された自転車の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態にかかるペダリング運動計測装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかるペダリング運動計測装置の測定部が搭載された自転車のクランクセットの部分拡大斜視図である。
【図４】図３に示すクランクセットに設けられるセンサユニットの構成を示す斜視図である。
【図５】図４のセンサユニットの配置イメージを示す図である。
【図６】図４のセンサユニットの構成を示す機能ブロック図である。
【図７】図４のセンサユニットにＹ軸方向のモーメントが加わった場合の力覚センサに加わる力を示す図である。
【図８】図４のセンサユニットにＺ軸方向のモーメントが加わった場合の力覚センサに加わる力を示す図である。
【図９】センサユニットと力点との関係を示す模式図である。
【図１０】本実施形態にかかるペダリング運動計測装置により算出された利用者が付加した力のベクトルを示す出力例を示す図である。
【図１１】本発明の第２実施形態にかかるペダリング運動計測装置の測定部が搭載された自転車のクランクセットの部分拡大斜視図である。
【図１２】図１１の歪みセンサが測定可能な歪みを説明するための図である。
【図１３】基準歪み情報作成時に付加される力の模式図である。
【図１４】右側センサユニットの基準歪み情報の一例を示す図である。
【図１５】基準歪み情報の角度位置に応じたセンサ出力値の変化を説明する図である。
【図１６】クランクアームに角度θの方向に力が加わった場合の各方向変位への力の分布を示す図である。
【図１７】本発明の第２実施形態にかかるペダリング運動用パワーメータの測定部が搭載された自転車のクランクセットの部分拡大斜視図である。
【図１８】基準歪み情報の角度位置に応じたセンサ出力値の変化を説明する図である。
【図１９】クランクに発揮される力の方向の変化によるクランクの回転効率の変化を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。以下、図面を参照して本発明における第１実施形態を詳細に説明する。
【００３７】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかるペダリング運動計測装置が搭載された自転車の構成を示す模式図である。本実施形態にかかるペダリング運動計測装置は、自転車あるいは、サイクリング運動器に搭載され、利用者が行なったペダリング運動によってペダルに付与された力及びペダルに付与された力が自転車を走らせるためにどの程度効率よく用いられているかを測定する。
【００３８】
図１に示す自転車１００は、フレーム１０１に本発明のクランク部材の一例としてのクランクセット１０２が設けられており、チェーン１０３を介して後輪１０４を回転させて走行する。サドル１０５に座った利用者が、クランクセット１０２の左右のペダル１０６にそれぞれ脚をおき、クランクセット１０２を回転させる。このとき、クランクセットと後輪スプロケットの構成により、所定のクランクセットを回転させるための回転抵抗が伴い、利用者が回転抵抗に抗してクランクセット１０２を回転させる際に、利用者が加えた力に応じてクランクセット１０２に歪みが生じる。
【００３９】
本発明の実施形態にかかるペダリング運動計測装置は、クランクセット１０２に生じた歪みを測定することにより、利用者がクランクセット１０２に加えた力及び方向を測定でき、測定結果をハンドル１０８に取り付けられた演算装置３に表示することができる。また、クランクセットに与えた力及び方向（ベクトル）に基づいて、クランクセットに与えた仕事を演算し、後述する自転車の移動距離から得られた自転車の仕事を比較して、自転車の効率を測定する。これらの詳細は後述する。
【００４０】
図２は、図１のペダリング運動計測装置の構成を示す機能ブロック図である。本実施形態のペダリング運動計測装置１は、自転車のフレーム１０１及びクランクセット１０２に取り付けられた測定装置２とハンドル１０８に取り付けられた演算装置３とで構成される。
【００４１】
測定装置２は、クランクセット１０２の左右のクランクアームにそれぞれ取り付けられた左右のセンサユニット４（４Ｒ、４Ｌ）、クランクセットのクランクアームの回転角度位置を検出する角度センサ５、自転車の後輪に取り付けられた磁力素子２１、及び自転車のフレームに取り付けられた車輪回転センサ２２及び角度センサ５の出力信号を演算装置３に送信する送信装置６とを備える。なお、左右のセンサユニット（４Ｒ、４Ｌ）、クランクセットのクランクアームの回転角度位置を検出する角度センサ５は、本発明の第２センサユニットの一例であり、磁力素子２１及び車輪回転センサ２２は、本発明の第１センサユニットの一例である。
【００４２】
各センサ４Ｌ，４Ｒ，５，２２と送信装置６との間の通信は無線で行われており、さらに、送信装置６と演算装置３との間の通信も無線で行われている。
【００４３】
演算装置３は、測定装置２から出力された出力信号に基づいて、クランクセットに利用者が与えた力及び自転車効率を演算し出力する。演算装置３は、受信部７、制御演算部８、プログラムや各種データ９、力演算の基準データである基準歪み情報１０、表示部１１、スピーカ部１２を備える。制御演算部８は、それぞれの演算の目的に応じてベクトル演算部８ａ、第１仕事演算部８ｂ、第２仕事演算部８ｃ、効率演算部８ｄの機能ブロックを有する。プログラムや各種データ９、基準歪み情報１０は、演算装置３内に設けられた図示しない記憶装置内に記憶されている。
【００４４】
まず、クランクセットに与えた力の大きさ及び方向（ベクトル）の演算について説明する。図３は、本発明の第１実施形態にかかるペダリング運動計測装置の測定部が搭載された自転車のクランクセットの部分拡大斜視図である。本実施形態において、センサユニット４は、クランクアーム１０７Ｌ，１０７Ｒに加えられた力の大きさ及び方向（ベクトル）を測定する。
【００４５】
図４は、図３に示すクランクセットに設けられるセンサユニットの構成を示す斜視図である。図５は、図４のセンサユニットの配置イメージを示す図である。
【００４６】
図６は、図４のセンサユニットの構成を示す機能ブロック図である。
【００４７】
センサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）は、図３に示すように、厚み方向に扁平な円板状の形状であり、互いに直行するＸＹＺの３軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びこれらの３軸を中心とするモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを測定することができる６軸力覚センサである。センサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）は、ハンガー軸１０９と左右のクランクアーム１０７（１０７Ｒ，１０７Ｌ）との間にそれぞれ１組ずつ取り付けられている。
【００４８】
センサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）は、図４及び図６に示すように、対向して配置された２枚の支持体１４ａ，１４ｂの間に、第１から第４の３軸力覚センサ１３−１、１３−２、１３−３，１３−４が搭載されている。支持体１４ａ，１４ｂは、ハンガー軸１０９、クランクアーム１０７Ｒにそれぞれ固定されている。クランクアーム１０７Ｒ、１０７Ｌとハンガー軸１０９との間に加えられた力は、支持体１４ａ，１４ｂを介して３軸力覚センサ１３−１、１３−２、１３−３，１３−４に及ぼされる。
【００４９】
なお、クランクアーム１０７Ｒ、１０７Ｌのハンガー軸１０９との接続面に３軸力覚センサ１３−１、１３−２、１３−３，１３−４を直接連結させてもよく、この場合、センサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）は、クランクアーム１０７Ｒ、１０７Ｌ側に設けられる支持体１４ｂを省略することもできる。
【００５０】
また、センサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）には、図６に示すように、後述する角度センサ５の例としてのジャイロ素子１５及び三軸加速度センサ１６、６軸方向のベクトルの演算及びセンサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）の角度を演算する演算部１７、演算部１７からの出力値を送信装置６に送るためのインターフェース部１８が設けられている。
【００５１】
演算部１７は、後述するそれぞれの３軸力覚センサ１３−１、１３−２、１３−３，１３−４からの出力値に基づいて、センサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）からの出力値である６軸方向のベクトルの演算、及びジャイロ素子１５と三軸加速度センサ１６からの出力値に基づいてセンサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）の角度に関する情報を演算する。
【００５２】
センサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）に搭載される第１から第４の静電容量型力覚センサ１３−１、１３−２、１３−３，１３−４は、加えられた力によって発生する歪みに基づいて、直交する３軸方向の力を測定することができるセンサであり、例えば、静電容量型３軸力覚センサ（株式会社ワコーテック製）等を好適に用いることができる。
【００５３】
センサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）において、それぞれの力の軸を示す座標は、図４及び図５に示すように定義される。ハンガー軸１０９に対して、クランクアームが伸びる方向の軸をＸ軸、支持体１４ａ，１４ｂ上の面に沿った面上でクランクアームに直交する軸をＹ軸、ハンガー軸１０９に沿った方向の軸をＺ軸とする。それぞれの軸は、Ｘ軸及びＹ軸はハンガー軸１０９から遠ざかる方向、Ｚ軸は自転車のフレームから遠ざかる方向を正方向とする。センサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）は、サイクリング運動をすることによって、Ｚ軸を中心として回転する。
【００５４】
本実施形態において、センサユニット４に設けられている第１から第４の力覚センサ１３−１、１３−２、１３−３，１３−４は、消費電力を抑えるために静電容量型力覚センサが用いられている。第１から第４の力覚センサ１３−１、１３−２、１３−３，１３−４は、ハンガー軸１０９を中心として、放射状に配置されており、このような配置を行うことで、４つの３軸センサの出力値に基づいて、支持体１４ａ，１４ｂ間に加わった６軸方向の力（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を測定することができる。
【００５５】
例えば、支持体１４ａ，１４ｂ間にＸ軸方向に沿った方向の力が加わった場合は、４つの力覚センサ１３−１、１３−２、１３−３，１３−４は、いずれもＸ軸方向の検出値を出力する。このように、ＸＹＺ軸方向に沿った力が加わった場合は、４つの力覚センサ１３−１、１３−２、１３−３、１３−４は、いずれも同じ出力値を示すことになる。
【００５６】
一方、図７に示すように、例えば矢印８１に示すＹ軸方向のモーメントＭｙが加わった場合は、Ｘ軸方向に配列する２つの力覚センサ１３−１、１３−３に加わる力がＺ軸に対して反対方向となる。すなわち、支持体１４ａ，１４ｂの主面に沿った方向の軸に対するモーメント（Ｍｘ，Ｍｙ）は、対向して配置された２つの力覚センサがＺ軸方向に異なる出力値を示すことでその力を測定することができる。
【００５７】
また、図８に示すように、矢印８２に示すＺ軸方向のモーメントＭｚが加わった場合は、４つの力覚センサ１３−１、１３−２、１３−３，１３−４はいずれも異なる方向の出力を示す。
【００５８】
上記の４つの力覚センサ１３−１、１３−２、１３−３，１３−４からの出力値は、演算部１７に入力され、演算部１７により６軸方向のベクトル値として演算されて、外部に出力される。利用者による踏力を受けて支持体１４ａと支持体１４ｂとの間に存在する４つの力覚センサの出力値に基づいて、クランクアームに付与された６軸方向のベクトルを測定することができる。
【００５９】
角度センサ５は、クランクセット１０２のクランクアームの角度位置を検出可能なものであれば、特にその構成は問われない。本実施形態においては、角度センサ５は、センサユニット４に設けられたジャイロ素子１５及び三軸加速度センサ１６を用いる。角度センサ５により検出されるクランクアームの角度位置は、例えば、間欠的な角度位置が検出されるように構成されていてもよい。本実施形態では、１度ごとの角度位置を測定することができる。なお、左右のクランクアーム１０７Ｒ，１０７Ｌは通常１８０度の角度差を持つように設けられているため、角度センサ５は、一方のみのセンサユニットにのみ搭載してもよい。
【００６０】
左右それぞれのセンサユニット４は、ジャイロ素子１５で得た角速度を積分し、回転角度の検出を行う。また、センサユニット４の演算部１７は、４つの力覚センサからの出力に応じて、ＸＹＺ３軸方向の力とそれぞれの軸周りのモーメントを対応づけて出力する。これらのセンサユニット４からの出力は、インターフェース部１８が処理を司る。
【００６１】
送信装置６は、左右のセンサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）のインターフェース部１８からの出力信号を受信し、演算装置３に送信するものである。送信装置６は、左右のセンサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）の近傍位置、例えば、前輪スプロケットのスパイダー１１６や、フレームのハンガー軸１０９近傍位置などに配置される。送信装置６による演算装置３との通信手段は、無線通信であることが好ましく、公知の通信方法を用いることができる。なお、送信装置６と演算装置３との間の通信手段としては、有線通信を用いてもよい。
【００６２】
送信装置６から送信された出力信号は、演算装置３の受信部７が受信し、制御演算部８に送られる。制御演算部８は、装置内に記憶されているプログラム９及び各種データ１０に基づいて、出力信号からそれぞれの角度位置における左右それぞれのクランクアーム１０７Ｒ，１０７Ｌにかけられた力の大きさ及び方向を演算する。左右それぞれのクランクアーム１０７Ｒ，１０７Ｌにかけられた力の大きさ及び方向の演算、各種処理は、制御演算部８のベクトル演算部８ａが処理を司る。
【００６３】
クランクセット１０２では、利用者の踏力はペダル１０６に加えられ、当該踏力によりクランクアーム１０７（１０７Ｒ，１０７Ｌ）に応力が加わる。上記の通り、センサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）は、ハンガー軸１０９と左右のクランクアーム１０７（１０７Ｒ，１０７Ｌ）との間に設けられており、センサユニット中心での出力に基づいて、利用者のペダル１０６上の力点１１７における踏力を求めるには変換を要する。ベクトル演算部８ａは、この変換処理を行うものであり、センサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）からの出力値に基づいて、利用者の踏力への変換処理を行う。
【００６４】
ベクトル演算部８ａが行う変換処理について説明する。図９は、センサユニットと力点との関係を示す模式図である。図９に示すように、本実施形態にかかるクランクセットは、クランク軸がＸ軸に沿っているので、力点１１７のＹ軸上の位置は０となる。よって、Ｘ座標(クランク軸の長さＬ)、Ｚ軸座標（Ｍｘ回転中心、すなわちＸ軸から力点までの距離Ａ）の情報に基づいて、センサに対する力点の３次元位置が特定される。
【００６５】
センサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）から出力された３軸方向のモーメント（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を力点１１７における踏力（Ｆｍｘ，Ｆｍｙ，Ｆｍｚ）に変換するには、次の式による。
Ｆｍｘ＝Ｍｘ／Ａ
Ｆｍｙ＝Ｍｙ／（Ａ2＋Ｌ2）1/2
Ｆｍｚ＝Ｍｚ／Ｌ
【００６６】
また、利用者がペダル１０６Ｒ，１０６Ｌに与えた力の総和がペダル踏力となるので、全ベクトルの合力となり、左右いずれのペダル踏力についても次の式により導かれる。
Ｆｔ＝（Ｆｘ2＋Ｆｙ2＋Ｆｚ2）1/2
【００６７】
クランクセット１０２は、ハンガー軸１０９を中心とする回転運動であり、クランクセットに与えたペダル踏力のうちクランクセットの回転に用いられる成分は、ペダル位置における回転接線方向の力、すなわちセンサユニットで検出されるハンガー軸のＺ軸を中心とするモーメント力Ｍｚの成分である。したがって、Ｆｍｚが回転有効踏力となるが、図５に示すとおりＦｍｚには向きが存在する。右クランクの回転有効踏力をＦｅｒ、左クランクの回転有効踏力をＦｅｌとすると、それぞれの回転有効踏力は次の式で表される。
Ｆｅｒ＝−Ｆｍｚ
Ｆｅｌ＝Ｆｍｚ
【００６８】
なお、左右のクランクの回転有効踏力の総和Ｆｅは、両者の加算により求められる。
【００６９】
なお、図９に示すように、力点１１７はセンサユニットのＸ軸より外側に位置するため、ペダル１０６を踏み込むことで、クランクアームを内側に押し倒す力が計測される。この成分は、Ｍｙ（又はＦｍｙ）として測定される。
【００７０】
図１０は、本実施形態にかかるペダリング運動計測装置により算出された利用者が付加した力のベクトルを示す出力表示例を示す図である。この表示画面５０には、ＦｘとＦｍｚの合成ベクトルを左右のペダルの軌跡に沿って表示したペダリングのベクトル表示５１が表示されている。このとき表示されるベクトルの長さＦｂは、（Ｆｘ2＋Ｆｍｚ2）1/2により算出され、表示すべきベクトルの向きは、arcsin（Ｆｘ／Ｆｂ）により求めることができる。
【００７１】
また、表示画面にはペダリングの効率５２及び具体的な数値として、ペダル踏力Ｆｔと回転有効踏力Ｆｅとの比５２及び数値５３が表示される。
【００７２】
本実施形態にかかるペダリング運動計測装置によれば、図１０に示すように、角度位置に応じた利用者によりクランクセット１０２に付与された力の大きさ及び向きを求めることができる。すなわち、ペダルの踏力のベクトルを測定することで、ペダルに加えられる力の効率を測定することができる。
【００７３】
本実施形態にかかるペダリング運動計測装置によれば、ペダルに付与された力の特定成分、例えば、クランクセット１０２を回転させるために用いられた回転有効踏力の評価を行うことができ、ペダルに加えた力のうちクランクセット１０２を回転させるため以外にどの程度ロスしているのかについて評価することができる。これにより、利用者のペダリングスキルの評価を行うことができる。
【００７４】
次に自転車の効率の演算について説明する。本実施形態にかかるペダリング運動計測装置は、上記のように、利用者のペダリング動作の計測に加え、自転車の効率の演算を行うことができる。自転車の効率は、利用者がクランクセットに与えた力が自転車を移動させるためにどの程度効率よく用いられたかを測定するための指標の一つであり、利用者がクランクセットに与えた仕事率と自転車が移動した距離に基づいて導かれる。具体的には、自転車が行った仕事率を算出し、一方で、クランクアームを回転させるために利用者がクランクアームに行った仕事率に基づいて算出する。
【００７５】
自転車の効率を算出することによって、例えば、フレームやサドルなどの自転車の部品が利用者自身のサイクリングスタイルに合っているかどうかの目安にすることができ、部品選択の基準の一つにすることができる。
【００７６】
利用者がクランクセット１０２に与えた仕事は、上記のベクトル演算部８ａによって導かれたクランクセット１０２に付与されたベクトルに基づいて算出される。一方、自転車が移動した距離については、自転車の車輪１０４の回転数に基づいて算出される。
【００７７】
自転車が行った仕事Ｐｂは、自転車の移動距離に基づいて、第１仕事演算部８ｂによって演算される。一般に仕事は、所定の重さの物体が移動した距離によって定義されるため、自転車及び利用者の総重量が同じであると仮定すれば、移動距離によって自転車の仕事の目安とすることができる。自転車の移動距離は、車輪一回転あたりの移動距離と回転数の積であり、単位時間あたりの回転数を測定して自転車の仕事率を測定する。
【００７８】
本実施形態では、図２に示すように、後輪に設けられた磁力素子２１と車輪回転センサ２２によって車輪の回転数を演算する。自転車のフレームの磁力素子２１の対向位置に設けられており、車輪の回転によって磁力素子２１が車輪回転センサ２２の対向位置を通過する回数を測定することができる。自転車の移動距離は、測定に要した所定時間内の車輪の回転数をカウントし、この回転数に後輪の大きさ（インチ数又は一回転当たりの移動距離）を乗じて自転車の仕事率Ｐｂを算出する。
【００７９】
なお、自転車の後輪の回転数は、後輪スプロケットとクランクセットのギア比によって変化するものであるため、ギア比が一定の場合には、クランクセットの回転数に基づいて自転車の仕事率を演算してもよい。
【００８０】
次に、利用者がクランクセット１０２に与えた仕事の算出について説明する。利用者がクランクセット１０２に与えた仕事は、上記の通りベクトル演算部８ａによって算出された利用者のペダリング動作によってクランクセット１０２に付与された各成分のベクトルに基づいて、第２仕事演算部８ｃが処理を司る。上記の通り、クランクセットに与えた力の総和Ｆｔのうち、クランクセットの回転に用いられ、自転車を移動させるために有効な成分は、Ｚ軸を中心とするモーメント力Ｍｚの成分であり、他の成分の力は仕事に関与しない。回転有効成分Ｍｚは、上記の通り、センサユニット４による出力結果に基づいてベクトル演算部８ａにより演算される。
【００８１】
第２仕事演算部８ｃは、利用者のペダリング動作によりクランクセット１０２に発揮されたＭｚ成分に基づいて、次の式により有効仕事率Ｐｅの値とする。
Ｐｅ＝（Ｍｚｌ−Ｍｚｒ）×角速度
【００８２】
なお、上記式において、Ｍｚｌ、Ｍｚｒは、それぞれ左クランク及び右クランクに加えられたＭｚ成分である。
【００８３】
なお、ペダル踏力Ｆｔに基づく総仕事率Ｐｔは、Ｐｅ＝（Ｆｔｌ−Ｆｔｒ）×角速度により求められる。上記式において、Ｆｔｌ、Ｆｔｒは、それぞれ左クランク及び右クランクに加えられたペダル踏力である。図１０に示すペダリングの効率５２及び数値表示５３の値は、有効仕事率Ｐｅと総仕事率Ｐｔに基づいてもよい。
【００８４】
上記のとおり、利用者がクランクセット１０２に与えた有効仕事率Ｐｅと自転車の移動距離に基づく自転車の仕事率Ｐｂが求められると、効率演算部８ｄは両者の値に基づいて、自転車の効率を求める。本実施形態においては、自転車の効率は、利用者が与えた有効仕事率Ｐｅから自転車の仕事率Ｐｂを差し引くことで算出され、自転車による力の損失分に相当する。すなわち、効率のよい自転車は、利用者がクランクセット１０２を回転させるために使われた力を効率よく自転車の移動に用いることができるため、同じ仕事率でペダリング運動をした場合を与えた場合の移動速度は速くなる。
【００８５】
なお、自転車による損失分には、空気抵抗や路面の抵抗などの影響も含まれる。ただし、これらの影響は、同じ気象条件、平均速度で走行している時間、走行速度での測定など測定条件を共通にする又は室内で測定することなどで軽減することができる。
【００８６】
本実施形態にかかるペダリング運動計測装置は、利用者が搭乗した状態で、ペダリング運動を行い、クランクセットに与えられた力のベクトルを左右独立して測定を行うことができる。また、所定時間内のクランクセットに与えられた力のベクトルと自転車の走行距離を導くことによって、単位時間内に利用者が前記クランク部材に与えた利用者仕事率及び単位時間内に自転車が行なった自転車仕事率を演算し、両者の差分から自転車の効率を演算する。
【００８７】
なお、自転車の効率の演算においては、距離を基準として自転車仕事率Ｐｂを導くこともできる。例えば、車輪回転センサ２２によって走行距離を測定しながらクランクセットに与えられた力を測定する。その後、所定距離（例えば、１Ｋｍ）を走行した時点で、所定のクランクセットに与えた力の測定を停止し、当該走行距離内にクランクセットに与えた単位時間あたりの自転車仕事率Ｐｂを算出し、当該仕事に基づいて自転車の効率を測定する。
【００８８】
本実施形態にかかるペダリング運動計測装置によれば、自転車の効率を所定の時間内に行った２つの仕事に基づいて指数値として求めることができる。また、測定のパラメータ条件が同じであれば、自転車の効率を同条件で測定することができ、自転車の部品の性能評価、例えば、その部品が自分に合っているかどうかなどの評価基準に用いることができる。
【００８９】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態にかかるペダリング運動計測装置は、クランクセットの構成及びセンサユニットの搭載数を除いて第１実施形態にかかるペダリング運動計測装置と共通する。以下、相違点を中心として説明する。
【００９０】
本発明の実施形態にかかるペダリング運動計測装置は、クランクアーム１０７（１０７Ｒ，１０７Ｌ）に生じた歪みを測定することにより、利用者がクランクセット１０２に加えた力を測定するものであり、測定結果は、ハンドル１０８に取り付けられた演算装置３の表示部１１に表示される。
【００９１】
図１１は、本発明の第２実施形態にかかるペダリング運動計測装置の測定部が搭載された自転車のクランクセットの部分拡大斜視図である。本実施形態においては、センサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）は、左右のクランクアーム１０７（１０７Ｒ，１０７Ｌ）にそれぞれ１組ずつ取り付けられている。センサユニット４は、それぞれ複数の歪みセンサを備える。歪みセンサは、左右それぞれのクランクアームが外力で微小な変形をすると、同じように変形して電気抵抗などが変化することで、クランクアームの歪みを測定することができる。
【００９２】
センサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）に含まれる歪みセンサ２３−１、２３−２、２４−１，２４−２は、図１１に示すように、クランクアーム１０７の回転方向９０に沿って対向する面１１０，１１１に、クランクの回転方向に対して交差する向きに対向して設けられる。また、２つの歪みセンサはクランクセット１０２のクランクの回転軸１０９に対して略垂直方向に対向して配置される。
【００９３】
図１２は、図１１の歪みセンサが測定可能な歪みを説明するための図である。まず、歪みセンサのＸＹＺ三軸方向について定義する。クランクアームに設けられている歪みセンサは、装置外部から見ると、クランクアームの回転に伴って位置及び向きが変動するため、歪みセンサのＸＹＺ座標系は、図４に示すように、歪みセンサ２３−１、２３−２、２４−１，２４−２が設けられているクランクアームの設置面１１０，１１１を基準とする。
【００９４】
歪みセンサのＸＹＺ座標系について、右側センサユニット４Ｒの２つの歪みセンサ２３−１，２３−２を例にとって説明する。図１２に示すように、歪みセンサ２３−１はクランクアームの互いに対向する面１１０面上に設けられており、当該面をＸＹ平面とする。Ｘ軸はクランクの回転軸１０９に対して直交する方向とし、回転軸から遠ざかる方向を正方向とする。Ｙ軸はクランクアームの設置面１１０に対する法線に沿った方向であり、設置面１１０から離れる方向を正方向とする。Ｚ軸はクランクの回転軸１０９に平行であり、クランクの外側方向を正方向とする。
【００９５】
また、歪みセンサ２３−２はクランクアームの設置面１１１面上に設けられており、当該面がＸＺ平面となる。歪みセンサ２３−２においては、Ｘ軸及びＺ軸は、歪みセンサ１３−１と同方向となるが、設置面１１１から離れる方向を正方向とするＹ軸については正負が逆になる。
【００９６】
上記の通り、歪みセンサ２３−１、２３−２、２４−１，２４−２は、本実施形態では次の４軸方向の力を測定する。具体的には図１２の矢印９１で示されるに示すように、Ｙ軸方向の力を受けてＸ軸を中心として生じるねじれ歪み（第１方向変位）、矢印９２で示されるに示すようにＺ軸方向の力を受けてＺ軸を中心として生じるねじれ歪み（第２方向変位）、矢印９３で示されるＸ軸方向の力を受けてＸ軸方向に伸縮する歪み（第３方向変位）、矢印９４で示されるに示すようにＺ軸方向の力を受けてＹ軸を中心として生じるねじれ歪み（第４方向変位）を測定する。
【００９７】
また、ハンガー軸１０９からの距離Ｄについては、特に限定されるものではない。ただし、クランクアーム１０７がクランクの回転軸１０９に対して片持ちで構成されているため、Ｄを大きくすることによって矢印９２に示す第１方向変位の変位量を大きくすることができる一方、矢印９３で示す第３方向変位の変位量が小さくなる。よって、両者の変位量のバランスをとるために、クランクアームの性状（ヤング率など）や、測定する利用者のレベルに応じて歪みセンサの位置を適宜調整することが好ましい。
【００９８】
角度センサ５は、本実施形態おいてはクランクセット１０２に設けられたスリットディスクと光学センサなどにより構成されている。
【００９９】
送信部６は、左右のセンサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）、角度センサ５及び磁気センサ５１からの出力信号を演算装置３に送信するものである。このうち、左右のセンサユニット４（４Ｒ，４Ｌ）、角度センサ５から出力される信号は、クランクセット１０２に付与された力の大きさ及び向きの測定に用いられ、磁気センサ５１からの出力信号は、後述する自転車効率を測定するために用いられる。送信部６による演算装置３との通信手段は、無線であることが好ましいが、有線通信であってもよい。
【０１００】
まず、最初にクランクセット１０２に付与された力の大きさ及び向きの測定について説明する。
【０１０１】
送信部６から送信された出力信号は、ベクトル演算部の一例としての演算装置３の受信部７が受信し、制御演算部８に送られる。制御演算部８は、装置内に記憶されているプログラム及び各種データに基づいて、出力信号からそれぞれの角度位置における左右それぞれのクランクアーム１０７Ｒ，１０７Ｌにかけられた力の大きさ及び方向を演算する。
【０１０２】
装置内に記憶されている各種データの例としては、クランクの性状に関する情報や歪みセンサの設置位置等の情報が含まれる。
【０１０３】
演算装置３により演算された結果は、利用者が認識可能な手段で表示部１１及びスピーカ部１２を介して出力される。
【０１０４】
なお、クランクアーム１０７Ｒ，１０７Ｌにかけられた力のベクトル演算には、装置内に記憶されている基準歪み情報が利用される。基準歪み情報は、それぞれの角度位置において、一定の力を一定方向に加えたときに生じるクランクアームの歪みに対応したセンサユニット４のセンサ出力値の情報である。
【０１０５】
図１３に、基準歪み情報作成時に付加される力の模式図を示す。基準歪み情報の作成時に用いられる付加される力の大きさは、クランクアームの性状によって適宜選択すればよく、また、力の方向は特に限定されるものではないが、本実施形態では鉛直方向下向きとしている。
【０１０６】
図１４に、右側センサユニット４Ｒの基準歪み情報の一例を示す。図１５に、基準歪み情報の角度位置に応じたセンサ出力値の変化を説明する図を示す。基準歪み情報は、クランクアームに連結されたペダルに一定の力を一定方向に力を加えたときのクランクアームの歪みに基づく、各センサユニットの歪みセンサの出力値として表される。本実施形態では、３０度ごとにセンサユニットに含まれる２つの歪みセンサ１３−１，１３−２について、第１から第４方向変異についての変位量が数値で記録されている。なお、基準歪み情報の角度位置に対応する変位量は、必ずしも３０°ごとに記録されている必要はなく、任意の角度ごとに記録されていてもよい。
【０１０７】
図１５に示すように、上死点に位置する基準位置(０°)においては、鉛直方向下向きに一定の力Ｆが加わると、クランクアーム１０７は、その長さ方向に縮小する方向に力が加わる。このため、第２方向変異の値はごく小さく、第３方向変異の値が大きくなる。なお、第１方向変異及び第４方向変異の変位量は、クランクアーム１０７から外側に突出しているペダルに力を加えるために生じるものである。
【０１０８】
上死点である基準位置から９０°までの間では、角度位置が大きくなるにつれて、図１５に示すように、第１及び第２方向変異の値が大きく、第３及び第４方向変異の値が小さくなる。角度位置が９０°のときには、第２方向変異の値が最大値を示し、第３方向変異の値が最小値を示す。以下、３６０°にわたって、第１から第４方向変異の値を測定し、基準歪み情報を作成する。
【０１０９】
次に、利用者のペダリング動作によりクランクセット１０２に発揮された力のベクトル演算について説明する。図１６に角度θの方向に力が加わった場合の各方向変位への力の分布を示す。
【０１１０】
図１６に示すように、基準歪み情報の基準方向Ｄ１に対して角度θだけ傾いた方向に力Ｆ１が加わると、第１方向変異及び第２方向変異はＦ１cosθにより変異し、第３方向変異は、Ｆ１sinθにより変異する。
【０１１１】
基準方向Ｄ１に対して角度θ傾いて加えられた力によって、第１歪みセンサ２３−１は、角度位置９０°における基準歪み情報よりも第１及び２方向変異が小さくなり、第３方向変異が大きくなる。
【０１１２】
よって、角度センサにより計測されるクランクアームの角度位置、基準歪み情報、利用者が加えた力により出力されたセンサユニットの各歪みセンサの出力値を比較することによって、利用者が加えた力のベクトルを算出することができる。
【０１１３】
例えば、図１６に示すように、角度センサにより計測されたクランクアームの角度位置が９０°であり、当該角度位置に存在するクランクアームに、基準方向Ｄ１に対して角度θ傾いて力が加えられた場合、当該角度位置（９０°）における第１及び第４方向変異の基準歪み情報と各歪みセンサの出力値を比較することにより、Ｆ１sinθの値を算出することができる。
【０１１４】
また、第２方向変異及び第３方向変異は、傾斜角θによりその比率が異なるため、各歪みセンサの第２方向変異及び第３方向変異の出力値の比を比較することにより傾斜角θを導くことができ、さらに、出力値の値により、力Ｆ１の大きさを算出することができる。
【０１１５】
このようにして、各角度位置において、基準歪み情報と各歪みセンサの出力値を比較することにより、力Ｆ１のベクトルを算出する。
【０１１６】
本実施形態にかかるペダリング運動計測装置により算出された利用者が付加した力のベクトルを示す出力例は、第１実施形態の出力例と同様であり、図１０に示すとおりである。
【０１１７】
次に、自転車効率の測定について説明する。自転車効率は、利用者がクランクセット１０２に与えた仕事と自転車が移動した距離に基づいて、クランクセットに与えた仕事がどれほど効率よく自転車の移動に用いられているかを測定するものである。利用者がクランクセット１０２に与えた仕事は、上記の通り導かれたクランクセット１０２に付与された力の大きさ及び向きに基づいて算出され、自転車が移動した距離については、自転車の後輪１０４の回転数に基づいて算出される。
【０１１８】
なお、利用者がクランクセット１０２に与えた仕事及び自転車が移動した距離の算出については第１実施形態と同様である。
【０１１９】
本実施形態では、利用者がクランクセット１０２に与えた力を単位時間で割り出した仕事率と自転車の移動距離を単位時間で割り出した仕事率との比を求めることにより、自転車の効率を算出する。
【０１２０】
(第３実施形態)
本発明の第３実施形態にかかるペダリング運動計測装置は、クランクセットの構成及びセンサユニットの搭載数を除いて第２実施形態にかかるペダリング運動計測装置と共通する。以下、相違点を中心として説明する。
【０１２１】
本実施形態にかかるクランクセットのクランクアーム１１２は、図１７に示すように、屈曲した構造であり、ハンガー軸１０９から放射方向に伸びる第１直状部１１３，第２直状部１１４と、直状部の中間部分にハンガー軸１０９の放射方向に対して直交する屈曲部１１５を備えている。屈曲部１１５は直状部１１３，１１４に比較して薄肉にするなど、厚み寸法を異ならせて構成してもよい。
【０１２２】
センサユニットは、左右のクランクアーム１１２Ｒ，１１２Ｌそれぞれについて、３組６個の歪みセンサ２５，２６が設けられており、それぞれ、第１及び第２直状部１１３，１１４と屈曲部１１５に１組ずつ設けられている。
【０１２３】
このように歪みセンサを延在方向が異なる３つの部位に設けることにより、クランクアームの角度位置に応じて応力が集中する部位が異なり、あらゆる角度位置において歪みセンサの歪み量を検出しやすくすることができる。
【０１２４】
図１８は、基準歪み情報の角度位置に応じたセンサ出力値の変化を説明する図である。本実施形態においては、第１直状部１１３の延在方向により角度位置を特定する。よって、図１８に示すように、基準角度(０°)の位置におけるペダルに付与された鉛直方向下向きの力は、ハンガー軸１０９の真上には位置しない。したがって、基準位置(０°)度の位置における基準歪み情報は、屈曲部１１５に設けられた歪みセンサ２５−３，２５−４，２６−３，２６−４の歪み量が大きくなり、直状部１１３，１１４に設けられた歪みセンサ２５−１，２５−２，２５−５，２５−６，２６−１，２６−２，２６−５，２６−６の歪み量は小さくなる。
【０１２５】
一方、基準角度が増えるに従い、直状部１１３，１１４に設けられた歪みセンサ２５−１，２５−２，２５−５，２５−６，２６−１，２６−２，２６−５，２６−６の歪み量は大きくなり、屈曲部１１５に設けられた歪みセンサ２５−３，２５−４，２６−３，２６−４の歪み量が小さくなる。
【０１２６】
このように，本実施形態においては、設置方向の異なる歪みセンサを用いることで、角度位置に応じて応力が集中する歪みセンサを異ならせることができるため、あらゆる角度位置において歪み量を大きくすることができ、より正確な歪み量の算出を行なうことができる。
【０１２７】
以上説明したように、本発明のペダリング運動計測装置によれば、左右のクランクアームにそれぞれセンサユニットを設けることにより、クランクセットに付与された力のベクトルを左右独立して測定することができる。
【０１２８】
また、クランクは、ペダルのようにロードレーサ、ツーリング用自転車、競技用自転車などの自転車の種別間で大きく構造が異なることなどがないため、本発明のペダリング運動計測装置は適用範囲を広くすることができる。
【０１２９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【０１３０】
例えば、本実施形態においては、ペダリング運動計測装置は走行用自転車に設けられているが、サイクリング運動器にも用いることができ、また、クランクセットに付与された力のベクトルを測定する測定機として用いることができる。
【０１３１】
本実施形態の演算装置３は、自転車のハンドルに取り付けられるものではなく、コンピュータにより構成してもよい。また、本実施形態の演算装置３とコンピュータと通信可能に構成し、コンピュータにより測定結果をより詳細に検討するようにしてもよい。
【０１３２】
また、第３実施形態のクランクアームのように中間部位に設けられた屈曲部は、クランクアームの回転方向に沿った方向に屈曲するものに限られず、回転方向に対して交差する方向（ハンガー軸に対して外側に突出する方向）に屈曲して設けられていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明は、走行用自転車やサイクリング運動器のペダリング運動の効率の判断等に利用することができる。【０１３４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。【０１３５】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。【０１３６】
上記実施形態１において、力点における踏力Ｆｍｘ、Ｆｍｙを変換するために、Ｘ軸から力点までの距離Ａを予め記憶させた値に基づいて算出しているが、Ａの値をＭｙ及びＦｚの値に基づいて補完することもできる。【０１３７】
具体的には、ＭｙはＦｚにセンサ中心から力点までの直線距離ｋを乗じたものであるため、ｋ＝Ｍｙ／Ｆｚという関係が成り立つ。また、ｋ＝（Ａ2＋Ｌ2）1/2であることから、Ａ＝（ｋ2−Ｌ2）1/2である。【０１３８】
したがって、Ａ＝（（Ｍｙ／Ｆｚ）2−Ｌ2）1/2により算出することが可能であり、これを用いることにより、
Ｆｍｘ＝Ｍｘ／（（Ｍｙ／Ｆｚ）2−Ｌ2）1/2
Ｆｍｙ＝Ｍｙ／（（（Ｍｙ／Ｆｚ）2−Ｌ2）＋Ｌ2）1/2
として、Ｆｍｘ、Ｆｍｙを算出するようにしてもよい。【０１３９】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年5月23日(2012.5.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハンガー軸で接続された左右一対のクランクアームとペダルを有するクランク部材を備えた自転車の左右の前記クランクアームに配設され、左右のクランクアームに付与された力の大きさ及び方向を検知するための第２センサユニットを備える計測本体部と、
前記第２センサユニットにより検知された左右のクランクアームにそれぞれ付加された力の大きさ及び方向に基づいて、利用者が前記クランク部材に与えた利用者の仕事を演算する第２仕事演算部と、を備える、ペダリング運動用計測装置。
【請求項２】
前記第２仕事演算部は、前記左右のクランクアームの回転接線方向に加えられた力の値に基づいて、前記利用者の仕事を演算する、請求項１に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項３】
前記第２センサユニットは、利用者の動作によって回転する前記クランクアームの角度位置を測定する角度センサと、前記クランク部材の歪みに基づいてクランク部材に加えられた力を測定する複数の力覚センサとを備え、前記クランクアームの角度位置に対応づけてクランク部材に加えられた力の情報を出力する、請求項１に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項４】
前記第２センサユニットの複数の力覚センサは、左右のクランクアームとハンガー軸との間に、前記ハンガー軸の回転中心に対して放射状に配設されている、請求項３に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項５】
前記第２センサユニットは、直交する３軸方向の力と３軸方向のモーメントを測定可能な６軸センサで構成されている、請求項３に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項６】
前記第２センサユニットの複数の力覚センサは、静電容量型力覚センサである、請求項３に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項７】
さらに、センサユニットからの出力に基づいて、利用者の動作によってクランク部材に付与された力の大きさ及び方向を演算するベクトル演算部と、を備える、請求項３に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項８】
前記ベクトル演算部は、クランク部材に付与されたすべての力のうち特定成分の力の大きさを演算する、請求項７に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項９】
前記力覚センサは、それぞれのクランクアームの回転方向に沿った対向面に、前記クランク部材の回転軸に対して交差する方向に対向して設けられている、請求項３に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項１０】
前記第２仕事演算部は、一定の力を各角度位置におけるクランクアームに一定方向から加えたときの各力覚センサの出力値として予め記憶されている基準歪み情報と各力覚センサからの出力値を比較することによって、クランク部材に付与された力の大きさ及び方向を演算する、請求項３に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項１１】
前記クランクアームは、前記クランク部材の回転軸の放射方向沿いの直状部と前記クランク部材の回転軸の放射方向に対して交差して延在する交差部を備え、
前記第２センサユニットの歪みセンサは、直状部と交差部にそれぞれ設けられている、請求項３に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項１２】
利用者の動作によって回転するクランク部材のクランクアームの角度位置を測定する角度センサと、
左右のクランクアームとハンガー軸と間に、前記ハンガー軸の回転中心に対して放射状に配設された複数の力覚センサを備えたセンサユニットと、
角度センサにより測定された位置情報と前記センサユニットのそれぞれの前記力覚センサの出力を対応づけて、利用者の動作によってクランク部材に付与された力の大きさ及び方向を演算するベクトル演算部と、
を備える、ペダリング運動用センサ装置。
【請求項１３】
前記自転車の車輪の動きを検知して前記車輪の回転数を検知するための第１センサユニットと、
前記第１センサユニットにより検知された車輪の回転数に基づいて、自転車が行なった仕事を演算する第１仕事演算部と、
前記第１仕事演算部により演算された自転車及び前記第２仕事演算部により演算された利用者の仕事に基づいて、前記自転車の効率を演算する、効率演算部とを備える、請求項１に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項１４】
前記第１仕事演算部は、車輪の回転数に基づいて自転車が移動した距離に関する情報に基づいて、前記自転車の仕事を演算する、請求項１３に記載のペダリング運動用計測装置。
【請求項１５】
前記第１センサユニットは、前記自転車の車輪及び前記車輪に対して静止した対向部材に設けられた磁気センサで構成されている、請求項１３に記載のペダリング運動用計測装置。
【国際調査報告】
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2011135972.tif 000023
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